3人の科学者が、新しい形態の分子アーキテクチャである、大きな空洞を含む結晶の発見により、2025年のノーベル化学賞を授与された。
京都大学の北川進、オーストラリアのUniversity of MelbourneのRichard Robson、そして米国のUniversity of California, BerkeleyのOmar M. Yaghiが、1,100万スウェーデンクローナ(約87万ポンド)の賞金を分け合うことになる。
この賞は、金属有機構造体(MOFs)と呼ばれるものの開発における3人の科学者の先駆的な貢献を称えるものである。MOFsは、その構造に微細な開放空洞が存在することから、化学分野で多くの注目を集めている結晶性材料の多様なクラスである。これらは、砂漠の空気から水を採取したり、CO₂を捕捉したりするなど、グリーン技術の革新に貢献している。
空洞の幅は、数オングストローム(オングストロームは1センチメートルの1億分の1に相当する長さの単位)から数ナノメートル(ミリメートルの100万分の1)の範囲である。つまり、肉眼はもちろん、ほとんどの形態の顕微鏡でも見ることができないほど小さい。しかし、さまざまな分子を収容するには完璧なサイズである。
MOFsの開発は、研究者が配位高分子の発見を始めた1950年代後半にさかのぼることができる。これらは、金属イオン(電子を失ったり獲得したりした原子)とリンカーとして知られる炭素ベースの架橋分子の連結鎖からなる材料である。これらの材料には空洞は含まれていなかったが、後にMOFsを生み出すことになる同じ金属有機化学に基づいていた。
1980年代後半、Robsonの研究グループは、一部の配位高分子が、炭素ベースのリンカーが液体溶媒分子のクラスター周辺に三次元配列を形成する、フレームワーク状の構造として調製できることを報告した。Robsonの研究論文で述べられているように、これは「疑いなく結晶であるものの内容物の約3分の2が事実上液体であるという異例の状況」を明らかにした。
1990年代半ばから後半にかけて、Yaghiのグループは、空洞から溶媒分子が除去された後でも構造を保持する配位高分子を調製することが可能であることを実証した。これは驚くべき結果であり、そのようなフレームワークは脆弱で、溶媒を除去すれば崩壊するという一般的な想定を覆した。
1997年、北川の研究グループは、開放空洞をガス分子の吸収に使用できることを示した。また、多くの場合、ガス分子が吸収されるとフレームワーク自体が膨張し、放出されると収縮することも示した。これらの永続的な開放空洞を持つ配位高分子は、MOFsとして知られるようになった。
3人の科学者による発見は、事実上、現代のMOF化学の誕生を示すものであり、それ以来、何千もの研究論文が発表されている。
幅広い応用分野
なぜMOFsは化学者にとってそれほど興味深いのだろうか。MOFs内の微細な空洞は、化学反応が起こるための独特で制御可能な場所を提供する。MOFsの主要な応用分野はガス貯蔵である。多くの場合、これらの材料は、自由なガス状態よりもはるかに高い密度でガスを保持できる。
これは、水素燃料をできるだけ効率的に輸送しなければならない燃料電池駆動車両などのグリーン技術に大きな利点をもたらす。多くのMOFsは特定のガスに対して特によく機能するため、排気ガス中のガス混合物を分離したり、地球温暖化の影響を緩和するために空気中からCO₂を捕捉したりすることにも役立つ。
MOFsは、空洞内で起こる化学反応の効果的な触媒としても機能する。触媒としてのMOFsの主な利点の1つは、特定の目的のために特性を調整するために、化学者が金属と炭素ベースのリンカーを比較的容易に交換できることである。
ガス分子だけでなく、MOFsは医薬品などの他の小分子も収容できる。これは、特定の標的に薬物を貯蔵して送達するために使用でき、その多孔質な性質により、治療用化学物質の制御放出が可能になることを意味する。
近年、MOFsは、電池、熱エネルギー貯蔵、化学センサー(汚染物質などの化学物質を監視・検出できるデバイス)など、他の多くの応用分野で有望性を示している。興奮させられることに、まだ探求されていない他の多くの応用分野が残っている。
30年以上前に発見されたにもかかわらず、MOFsは材料化学における最も注目される研究分野の1つであり続けており、今後何年にもわたってそうであり続けることは間違いない。